Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen

Präsentation zum Thema: "Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen"—  Präsentation transkript:

1 Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice, Quantenradierer Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Beispiel H2 Quantenkryptographie Lichtgitter Atomspiegel Wechselwirkung mit Atomen Photon-Atom Wechselwirkung Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, Winkel- und Energieverteilungen Doppelanregung, Interferenzeffekte Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse Atome in starken Laserfeldern Multiphotonenionisation Tunnelionisation Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien Ion-Atom Stöße Elektronentransfer Ionisation

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3 Deutung des Doppelspaltes I: Wo ist das Teilchen?
Anfang: Teilchen lokalisiert Ende: Delokalisiert Keine Antwort auf “Which Way”

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5 http://www. physik. uni-muenchen
M. O. Scully and K. Drühl, Phys. Rev. A 25, 2208 (1982). M. O. Scully, B. G. Englert, and H. Walther, Nature London 351, 111 (1991)

6 Delayed Choice: no change!
recht/links zirkular linear polarisiert Delayed Choice: no change!

7 Hellmuth et al PRA35,2532 (1987)

8 Wheeler, Delayed Choice:
Does this result mean that present choice influences past dynamics, in contravention of every formulation of causality? Or does it mean, calculate pedantically and don’t ask questions? Neither; the lesson presents itself rather like this, that the past has no existence except as it is recorded in the present. Wheeler, J. A., [1978], The Past and the Delayed-Choice Double-slit Experiment, in Mathematical Foundations of Quantum Theory, ed. Marlow, pp. 9-47, Academic Press, New York.

9 Wheeler, Delayed Choice:
Does this result mean that present choice influences past dynamics, in contravention of every formulation of causality? Or does it mean, calculate pedantically and don’t ask questions? Neither; the lesson presents itself rather like this, that the past has no existence except as it is recorded in the present. Wheeler, J. A., [1978], The Past and the Delayed-Choice Double-slit Experiment, in Mathematical Foundations of Quantum Theory, ed. Marlow, pp. 9-47, Academic Press, New York.

10 Echter Doppelspalt schwierig:
1.2..Interferenz von Teilchen 1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Echter Doppelspalt schwierig: Elektron 100eV 1.2*10-10 m

11 Feynman Lectures: "We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery." "We should say right away that you should not try to set up this experiment. This experiment has never been done in just this way. The trouble is that the apparatus would have to be made on an impossibly small scale to show the effects we are interested in. We are doing a "thought experiment", which we have chosen because it is easy to think about. We know the results that would be obtained because there are many experiments that have been done, in which the scale and the proportions have been chosen to show the effects we shall describe".

12 1.2..Interferenz von Teilchen
1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1957 Physics World Sept 2002 Top 10 beautiful experiments 1 Young's double-slit experiment applied to the interference of single electrons 2 Galileo's experiment on falling bodies (1600s) 3 Millikan's oil-drop experiment (1910s) 4 Newton's decomposition of sunlight with a prism ( ) 5 Young's light-interference experiment (1801) 6 Cavendish's torsion-bar experiment (1798) 7 Eratosthenes' measurement of the Earth's circumference (3rd century BC) 8 Galileo's experiments with rolling balls down inclined planes (1600s) 9 Rutherford's discovery of the nucleus (1911) 10 Foucault's pendulum (1851)

13 Echter Doppelspalt schwierig:
Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Echter Doppelspalt schwierig: Elektron 100eV 1.2*10-10 m

14 Virtuelle Lichtquellen
Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Fresnel Biprisma 2 kohärente Virtuelle Lichtquellen reale Lichtquelle

15 1.2.1.. Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen
Analogon zum Doppelspalt reale Lichtquelle

16 Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen
Elektronenquelle Film - Faden+ 0.001 mm! Extrem vibrationsarmer Aufbau Sehr lokalisierte Elektronenquelle

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18 Keine Spannung: Schatten mit Beugung an Kante
Particles (electrons or ions) which are emitted from a sharp tungsten tip (right) may pass a thin wire either on the left or right hand side. By applying a voltage to the wire the two beam parts overlap and interfere (left Keine Spannung: Schatten mit Beugung an Kante Mit Spannung: Interferenz

19 1.2..Interferenz von Teilchen
1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1961 Claus Jönsson (Tübingen) Zeitschrift für Physik Möllenstedt&Düker ca 0.01mm kohärent ausgeleuchtet Jönsson: mm Spaltbreite hergestellt (galvanisch)

20 1.2..Interferenz von Teilchen
1.2.1.: Möllenstedt/Düker (1956): Doppelspalt mit Elektronen Jönsson: echter Doppelspalt 1961 50keV (5*10-12m) Entspricht Lichtoptik Wellenlänge 105 größer, 5cm Spalt, 20cm Spaltabstand, 40km Quelle-Spalt Spalt-Schirm (geht nicht wegen Intensität)

21 Möllenstedt Düker 56 Jönnson 61 Wellenlänge 10-12m

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23 Atome, Moleküle Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen
Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Quanteneraser Beispiel H2 Lichtgitter Atomspiegel Wechselwirkung mit Atomen Photon-Atom Wechselwirkung Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, Winkel- und Energieverteilungen Doppelanregung, Interferenzeffekte Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse Atome in starken Laserfeldern Multiphotonenionisation Tunnelionisation Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien Ion-Atom Stöße Elektronentransfer Ionisation

24 1.2.3. Doppelspaltexperiment mit Atomen
Stern Frisch Estermann (1931) Reflexion von He Atomstrahlen an LiF Kristall Otto Stern: Frankfurt

25 He* Monochromatisch?? Wellenlänge?? Warum He* Eintrittsschlitz 2mm
inkohärent 1mm 8mm Monochromatisch?? Wellenlänge?? Warum He* Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

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27 Hochdruck (30bar) Vakuum (10-6mbar) 30m Loch

28 T=300K 300K Überschallexpansion (5kTm)1/2

29 λ = 0.47 Å Detektoren für niederenergie Teilchen Warum He* ? He*
Eintrittsschlitz 2mm He* inkohärent 1mm 8mm λ = 0.47 Å Monochromatisch?? Wellenlänge?? Warum He* Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

30 Microchannel Plates

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33 Helium Termschema Grundzustand: n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2
Ortswellenfunktion symmetrisch gegen Vertauschung der Elektronen Spin Wellenfunktion antisymmetrisch Gesamtspin 0 Gesamtspin 1 ms=+1 ms=-1 ms=0 Multiplizität (2S+1): Einstellmöglichkeiten des Gesamtspins im äusseren Feld Spin 0 -> Multiplizität 0 “Singulett” Spin 1 -> Multiplizität 3 “Triplett”

34 19.3. Helium Termschema Grundzustand: n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2
Ortswellenfunktion symmetrisch gegen Vertauschung der Elektronen Spin Wellenfunktion antisymmetrisch Notation: Grundzustand S “erster Singulett S 0 Zustand” Gesamtdrehimpuls j n des höchsten Elektrons Multiplizität (2S+1) Gesamtbahndrehimpuls L L=0 -> S L=1 -> P L=2 -> D

35 Warum sind die Lebensdauern so lang?
Keine Übergänge mit Spinflip Lebensdauer: s Beispiel: 3D2,1,0 (1s)1(3d)1 Elektron 1: n1=1, l1=0, ml1=0, ms1=+1/2 Elektron 2: n2=3, l2=2, ml2=0,§1,§2, ms2=+1/2 19.6ms 7870s (!) Termschema Haken Wolf Warum sind die Lebensdauern so lang? Vgl Umlaufdauer

36 He* Eintrittsschlitz 2mm inkohärent l = 0.47 Å 1mm 8mm
Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

37 Experiment: T. Pfau (Stuttgart)

38 Was passiert wenn die Teilchen die Grösse der Schlitze haben?
Auch für Wasserwellen ist die Überlagerung 2er Kugelwellen eine Idealisierung. Details hängen von der Form der Schlitze ab. Reibung, Viskosität, Wirbel etc spielen eine Rolle!

39 Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab
He Teilchenwelle Einhüllende hängt von Stegbreite und Schlitzbreite ab.

40 Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab
He Teilchenwelle Einhüllende hängt von Stegbreite und Schlitzbreite ab. Toennies & Grisenti

41 Kirchhoff: Beugung am Gitter hängt von der Schlitzbreite ab
He Teilchenwelle Einhüllende hängt von Stegbreite und Schlitzbreite ab. Toennies & Grisenti

42 Welche Erklärung stimmt:
Unschärfe (Bohr vs Einstein) oder Verschränkung? Verschränkung ist fundamentaler als Unschärfe Fazit: Interferenz wird zerstört durch which way information which way information wird via Verschränkung auf ein anderes Quantemechanisches System gekoppelt Wenn dies in Ort und Impuls geschieht hat man das Unschärfeargument